Total : /20 TP N° 6 – Pile à combustible

Noms Prénoms :
Université de TOULON et du VAR
Institut Universitaire de Technologie
Prépa :
/4
TP :
/10
Licence professionnelle
Techniques de conversion des énergies renouvelables
Rapp : :
/6
Maitriser et Intégrer les Energies
Date :
Total :
/20
TP N° 6 – Pile à combustible
O2
H2
H2
O2
Pile à combustible
Pile
0
H2
230V ~
50 Hz
O2
ml
m
ml
0
Chauffage - Eclairage –
Motorisation
O2
v
H2
0
Lampes
PREPARATION :
60
Panneau
photovoltaïque
60
Electrolyseur
Lam
Ce TP comprend deux parties successives. On s’intéresse d’abord à la production d’hydrogène grâce à un
électrolyseur qui transforme l’électricité en gaz que l’on peut stocker. Ensuite à la pile proprement dite qui
réalise la transformation inverse.
L’alimentation électrique de l’électrolyseur peut se faire soit à l’aide d’un panneau photovoltaïque éclairé
par un système de lampes à incandescence, soit par une alimentation continue de laboratoire. La charge de
la pile est réalisée par une résistance réglable au moyen d’un commutateur.
Dans toute la manipulation on veillera à ne pas trop faire chauffer le panneau (en approchant trop les
lampes) et à ne pas trop stocker d’hydrogène (niveau ≤ 60 ml). Durant les relevés, les tubes inférieurs de la
pile seront fermés avec les clips, entre 2 essais, ils seront ouverts.
Lors d’une électrolyse de l’eau, la quantité d’hydrogène dégagée répond à la première loi de Faraday
Rappeler cette loi ;
Calculer la quantité d’électricité Q, transportée par un courant I = 0,8 A circulant pendant une durée de
∆t =3 minutes.
Q = 144 C
Garnero
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TP n°6 Pile à combustible
Dans les conditions normales de température et de pression (20°C 1013hPa) une mole de gaz occupe un
volume de 24 litres (Vm = 24 l.mol-1).
Pour dégager 1 mole de gaz, il faut fournir une charge Qm = z.F
Où F la constante de Faraday, F =.96 484 C.mol-1 et z est le nombre d’électrons nécessaire à produire une
molécule de gaz. Pour l’hydrogène, 2H+ + 2e H2 donc z = 2 donc Qm = 192 968 C.
Calculer le volume d’hydrogène dégagé par la quantité Q (0,8 A, 3 mn)
V = 17,9 ml
TSVP
Comment détermine-t-on la force électromotrice et la
résistance interne d’une source à partir de sa caractéristique
externe ?
v (V)
V1
V2
I (A)
0
I2
Expliquer pourquoi le rendement énergétique d’un électrolyseur se calcule par
Energie contenue dans l ' hydrogène
Energie électrique consommée
Energie électrique produite
ηE =
Energie contenue dans l ' hydrogène
ηE =
Garnero
alors que pour une pile à combustible c’est
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TP n°6 Pile à combustible
EXPERIMENTATION :
1ère partie : Electolyseur
Réglages préliminaires :
Attention, la tension appliquée ne doit jamais dépasser 2 V
Vérifier la polarité et ajuster le niveau d’eau sur O ml. Fermer le tube d’évacuation de l’hydrogène avec le
clip.
V
A
O2
H2
i
A
ml
ml
0
0
v
60
Lampe
v
60
Electrolyseur
Aimentation
Caractéristique interne :
Relever et tracer la caractéristique interne i = f(v) de l’électrolyseur. La variation de courant est obtenue
en réglant la tension de l’alimentation. (le limiteur de courant sera réglé à 1 A)
Commenter le résultat obtenu.
V (V)
I (A)
Lois de FARADAY :
Ajuster le niveau à O ml et fermer le clip. Régler l’alimentation pour avoir I = 0,8 A ;
Relever le volume d’hydrogène produit en fonction du temps. De 1 mn à 7 mn toutes les 30 s
Temps (s)
I = cte = 0,8 A
30
60
90
120
150
180
210
Volume H2 (ml)
Garnero
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TP n°6 Pile à combustible
Relever le volume d’hydrogène produit en fonction du courant. Pour des durées de production de 3 mn et un
courant allant de 0,2 à 0,8 A par pas de 0,2 A, mesurer le volume produit
courant (A)
∆T = 180 s
0,2
0,4
0,6
0,8
Volume H2 (ml)
Le volume de gaz dégagé pour i = 0,8 A est-il conforme à la valeur attendue ?
Tracer les courbes VolH2 = f(t) et Vol H2 = f(i). Commentez ces courbes.
La 1ère loi de FARADAY est-elle vérifiée ?
En considérant que
F=
Qm Q.Vm I .∆T .Vm 0,8 * 180 * 24 000
=
=
=
z
z.Vol
z.Vol
2 * Vol
le volume étant exprimé en ml
Déterminer une valeur expérimentale de F.
La valeur trouvée est-elle proche de la valeur théorique F = 96 484 C/mol ?
Calculer la valeur du rendement de FARADAY
Garnero
ηF =
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Vol H 2 expérimental
et commenter
Vol H 2 théorique
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TP n°6 Pile à combustible
ηE =
Calculer la valeur du rendement énergétique
avec HOH2 = 11 920 kJ/m3 (à 20°C) soit 11,92 J/ml
Energie de l ' hydrogène H OH 2 *Vol
=
Energie électrique
U * I * ∆T
la valeur de U sera prise sur la 1ère courbe.
Commenter les résultats
2ème partie : Pile à Hydrogène
Réglages préliminaires :
Régler l’alimentation pour avoir une
production d’hydrogène suffisante; Faire
l’appoint d’eau si nécessaire. Fermer les
tuyaux inférieurs de la pile avec les clips.
Faire fonctionner le système pendant 5 mn
pour purger les tuyaux et avoir une réserve
d’hydrogène suffisante. (La production est
stoppée quand le repère 60ml est atteint)
V
H2
O2
R
A
Pile
O2
0
H2
H2
O2
i
ml
m
ml
0
A
0
v
Pile
60
V
R
60
Electrolyseur
Aimentation
Garnero
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TP n°6 Pile à combustible
Caractéristique externe :
Relever et tracer la caractéristique interne v = f(i) de la pile :
a) pour les 2 cellules banchées en parallèle ;
b) pour les 2 cellules banchées en série.
La variation de courant est obtenue en réglant la résistance R Commencer par l’infini (Open circuit) et
diminuer progressivement R. Attendre environ 30 s ente deux points. A la fin des relevés, ouvrir le clip.
Commenter le résultat obtenu.
Cellules en parallèle :
R (Ω)
I (A)
V (V)
Pu (W)
Cellules en série :
R (Ω)
I (A)
V (V)
Pu (W)
Dans les deux cas calculer la puissance utile et tracer la courbe des variations P = f(i)
On prendra 1 repère pour v = f(i) et un repère pour P = f(i) sur lesquels ont mettra les 2 courbes.
Déterminer la f.e.m. et la résistance interne de la pile dans les 2 cas
Garnero
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TP n°6 Pile à combustible
Rendements de la pile :
Câbler les cellules en parallèle et produire de l’hydrogène jusqu’à ce que la marque 60 ml soit atteinte.
Mesure des pertes de gaz à vide :
La pile étant en circuit ouvert, mesurer la quantité d’hydrogène perdue sur un intervalle de temps de
∆T = 3 mn
∆Vol =
ml
ce qui donne des fuites de
∆Vol/mn =
ml/mn
Refaire « le plein » en hydrogène, puis mettre la résistance sur 0,3Ω et noter le volume d’H2 consommé en
3 mn. Noter ce volume et le corriger des fuites Vol cor = Vol - ∆Vol. Relever la tension et le courant
Reproduire cette expérience 3 fois de suite et calculer les moyennes
R = 0,3Ω
∆T = 180 s
Tension U =
V
Vol1 =
ml Volmoy =
ml
Courant I =
A
Vol2 =
ml Volcor =
ml
Vol3 =
ml
Calculer le rendement de FARADAY de la pile :
ηF =
Vol H 2 théorique
Vol H 2 expérimental
avec
Vol H 2 théorique =
I .∆T .Vm I * 180 * 24 000
=
2 * 96 484
z. F
ηF =
Calculer le rendement énergétique :
ηE =
Energie électrique produite
Energie contenue dans l ' hydrogène
avec
Energie électrique produite = U . I .∆T
Energie contenue dans l’hydrogène = HoH2.Vol expérimental
HoH2 = 11 920 kJ/m3 =11,2 J/ml
ηF =
Commentez les résultats.
Garnero
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